（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仪器的钢丝绳张力检测系统研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 钢丝绳安全问题倍受使用者关注，而钢丝绳在运行过程中的张力及其变化直接关 系到钢丝绳的安全，因此，实时、在线、定量检测钢丝绳的张力是十分必要的。本课 题主要研究并开发高效可靠、技术先进的检测系统，用于检测钢丝绳运行过程中的张 力及其变化情况，为进一步加强和完善钢丝绳使用过程中的安全性评价奠定基础。 虚拟仪器技术由于其强大的计算能力、直观性、灵活性及“软件即是仪器”等特 点成为当今测控领域研究和应用的重要方向之一，其开放式的设计思想为简化系统、 提高测试效率、降低测试成本，提供了有效的途径和方法。 本课题在国家自然科学基金和山东省自然科学基金的资助下，开展了钢丝绳张力 检测系统的研究。基于对钢丝绳结构的分析，利用磁电转换技术将钢丝绳股波信号转 变为电压信号输出；通过对信号的分析处理，建立了钢丝绳张力与变形前后股波信号 变化量的数学模型。在此理论研究的基础上，设计开发了由磁检测器、信号调理电路 和以a t 8 9 c 5 1 为核心的串行通讯的数据采集( d a o ) 系统，并以图形化高级语言 l a b v i e w 为平台编制了虚拟仪器检测软件，实现了数据的采集、串行通讯、分析处 理、图形存储、数据存盘和打印等功能。 本课题所研发的检测系统具有稳定可靠、界面友好直观、操作方便、设计灵活、 自动化程度高的特点，尤其是虚拟仪器的引入，使得用户可以通过计算机轻松的控制 整个检测过程，并可以根据实际需要，随时修改各功能的设计，进行系统的扩展和修 改，使检测仪器的使用范围更加广泛。 关键词：钢丝绳；张歹，检测；集成霍尔元件；单片机；虚拟仪器；l a b v i e w 塞墅堡三奎耋三耋堡圭兰堡堡圣 a b s t r a c t t h es e c u r i t yo fw i r er o p e si sb e i n gp a i dm o r ea t t e n t i o nb yt h eu s e r , a n dt h ec h a n g eo f r u n n i n gw i r er o p e s t e n s i o ni sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es e c u r i t y s oi ti se x t r e m e l yn e c e s s a r y t oc h e c kt h ew i r er o p e s t e n s i o nv a l u ea tr e a l - t i m e ，o n - l i n ea n dq u a n t i t a t i v e l y t h eh i g h l y e f f e c t i v e ，r e l i a b l e ，t e c h n o l o g i c a la d v a n c e dd e t e c t i n gs y s t e m i sm a i n l yr e s e a r c h e da n d e x p l o i t e dh e r e t h es y s t e mi su s e df o rd e t e c t i n gt h ec h a n g i n gt e n s i o no fr u n n i n g w i r er o p e s ， a n de s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t r e n g t h e n i n ga n dc o n s u m m a t i n gs e c u r i t y e v a l u a t i o no fw i r er o p e si nu s i n gp r o c e s s b e c a u s eo ft h eg o o dc o m p u t a t i o na b i l i t y , i n t u i t i o n ，f l e x i b i l i t y , a n d ”s o f t w a r eb e i n g i n s t r u m e n t ”，v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n td i r e c t i o n so f r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nt h eo b s e r v a t i o na n dc o n t r o lf i e l d t h eo p e nd e s i g n i n gt h o u g h t o fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yo f f e r se f f e c t i v ea p p r o a c ha n dm e t h o df o rs i m p l i f y i n g s y s t e m ，i m p r o v i n gt e s te f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt e s tc o s t s p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n s f c ) a n ds h a n d o n g p r o v i n c i a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n ，t h es t u d yo f w i r er o p e s t e n s i o nd e t e c t i n gs y s t e mi s d e v e l o p e d a f t e ra n a l y z i n gt h ew i r er o p e s s t r u c t u r e ，t h es t r a n df l u c t u a t i n gs i g n a lo fw i r e r o p e si s t r a n s f o r m e dt ov o l t a g es i g n a lo u t p u tb ym a g n e t o e l e c t r i c i t yt e c h n o l o g y t h e m a t r i xb e t w e e nw i r er o p e s t e n s i o na n dt h ec h a n g ev a l u eo fs t r a n df l u c t u a t i n gs i g n a l c o m p a r e do r i g i n a lw i t hl e n g t h e nw i r er o p e si sc r e a t e dt h r o u g ha n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n g d e t e c t i o ns i g n a l b a s e do nt h i sr e s e a r c h ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， w h i c hc o n s i s t so ft h em a g n e t i s md e t e c t o r , t h ec i r c u i to fs i g n a lm o d u l a t i o na n da t 8 9 c 5 1 m i c r o p r o c e s s o r , i se x p l o i t e d a n dt h ev i r t u a li n s t r u m e n td e t e c t i o ns o f t w a r ei se x p l o i t e d t h r o u g ht h eg r a p h i c sa d v a n c e dl a n g u a g el a b v i e w s o m ef u n c t i o n sa r er e a l i z e d ，s u c ha s d a t aa c q u i s i t i o n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，a n a l y s i sa n dp r o c e s s ，g r a p h i c a ls t o r a g e ，d a t as a v i n g , p r i n t a n ds o o n t h ee x p l o i t e dd e t e c t i o ns y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a b l ea n dr e l i a b l ec a p a c i t y , f r i e n d l ya n dd i r e c t - v i e w i n gi n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o n ，n i m b l ed e s i g n ，h i g hd e g r e e o f a u t o m a t i o n w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t ，t h eu s e rc a nc o n t r o lt h ew h o l e d e t e c t i o np r o c e s st h r o u g ht h ec o m p u t e re a s i l y b e s i d e st h ed e t e c t i o ns y s t e mc a nb e i m p r o v e da n dm o d i f i e da c c o r d i n gt ot h eu s e r s a c t u a ln e e da ta n ym o m e n t ，w h i c hm a k e s t h ed e t e c t i o ns y s t e ma p p l i c a b i l i t ym o r ew i d e l y k e yw o r d s ：w k er o p e s ，t e n s i o nd e t e c t i o n ，i n t e g r a t e dh a l ls e n s o r , s i n g l e c h i pp r o c e s s o r ， i i 重曼星三奎耋三耋堡圭茎堡童圣 v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v l e w 1 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本论文研究的课题来源于国家自然科学基金项目“钢丝绳安全检测新原理与新技 术研究”( 项目编号：5 0 4 7 5 1 6 6 ) 和山东省自然科学基金项目“钢丝绳在线无损检测 技术与安全评价系统研究”( 项目编号：y 2 0 0 2 f 0 9 0 ) 。 1 2 课题概述 1 2 1 课题的提出 钢丝绳作为工程中应用极为广泛的一种挠性构件，是由高强度钢丝捻制而成。这 种结构具有抗拉强度大、自重轻、弹性好、工作平稳可靠、承受动载和过载能力强以 及在高速工作条件下运行和卷绕无噪声等许多优点，在矿山、冶金、高层建筑、交通 运输、港口、旅游等国民经济建设的各个领域得到广泛的应用，如各类起重机、货运 客运索道、电梯、矿井提升机等都大量的使用钢丝绳。然而，钢丝绳作为一种工程牵 引、承载构件，由于工作载荷及环境的不确定性，在使用过程中必然会发生疲劳、锈 蚀、磨损甚至突然断裂现象，因此，它的损伤情况和承载能力就时刻关系到设备和人 身安全。为了防忠于未然，各国钢丝绳使用与管理部门，如前苏联、德国、美国、日 本、法国、加拿大、中国及国际i s o 组织等，都针对钢丝绳的使用问题制定了相应的 行业安全规程和国家检测标准i 卜4 】。 纵观国内外钢丝绳报废与安全规程实施的历史【5 7 】，不难发现，钢丝绳在使用与 管理过程中，尽管有章可循，但是由于目前尚缺乏科学可靠的钢丝绳状态检测手段和 评价标准，以及现有检测仪器的准确性和可靠性不足，即使采用仪器检测的钢丝绳使 用部门，其断绳等事故仍然时有发生，另一方面也没有避免在钢丝绳使用中因提前更 换仍有使用价值的钢丝绳而造成的大量浪费。因而研制先进的钢丝绳安全检测技术与 仪器，其经济效益和社会效益都是可观的。 现有关于钢丝绳的行业安全规程及国家检测标准，主要是基于钢丝绳损伤检测结 果制定的。而钢丝绳的安全检测不仅包括钢丝绳损伤方面的检测，钢丝绳的张力检测 对钢丝绳的安全问题也起着至关重要的作用。多年来，人们也一直在探索钢丝绳张力 童墅矍三奎耋三耋堡主童堡里圣 检测的各种方法，来完善钢丝绳安全检测标准及规程，努力使钢丝绳尽可能延长使用 寿命，又要确保在钢丝绳发生破断之前及时的更换下来。但是由于钢丝绳结构的复杂 性，工作环境的多样性，检测方法的局限性，使得钢丝绳张力检测非常困难，到目前 为止，几乎没有一种检测方法或仪器装置完全满足实际检测使用要求。目前已有的钢 丝绳张力检测方法存在的主要问题是检测的智能化程度低，检测结果缺少客观性。因 此，迫切需要研究高性能、高可靠性、在线定量的智能化检测仪器。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称为v i ) 是随着计算机技术、现代测量技术发 展起来的新型高科技产品，代表着当今仪器发展的新方向。虚拟仪器是计算机硬件资 源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。在硬件平台确定 以后，就有“软件就是仪器”的说法，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运 算、分析与处理。在虚拟仪器系统中，信号的获取和采集由以计算机为核心的硬件平 台来完成。在此硬件平台的基础上，调过测试软件完成某种功能的测试任务，便构成 该种功能的虚拟仪器。如对采集的数据通过测试软件进行标定和数据点的显示就构成 了一台数字示波器；若对采集的数据利用软件进行f f t 变换，就构成一台频谱分析 仪。测量信号的采集与数字信号处理紧密联系，采用数字滤波函数将含有噪声的数据 进行滤波去噪处理，利用高级信号处理函数即可从数据记录中估计出信号的某些特征 或信号本身。而且信号分析与处理要求取的特征值，如峰值、均值、方差、以及频谱、 相关函数、概率密度函数等，若用硬件电路来获取，其电路是复杂的、昂贵的，甚至 是不易实现的，而用虚拟仪器软件编程是很容易实现的【b 、9 】。这是虚拟仪器与传统仪 器相比，具有的绝对优势所在。因而将张力检测仪器与虚拟仪器相结合有着重要的意 义。 基于上述技术现状与发展的需求，本论文在国家自然科学基金及山东省自然科学 基金的资助下，选定“基于虚拟仪器的钢丝绳张力检测系统研究”作为主要研究方向， 开展基于虚拟仪器的钢丝绳张力在线检测系统的研制。重点研究了钢丝绳张力检测传 感器原理与结构，检测信号处理电路，以及基于虚拟仪器的钢丝绳张力检测系统设计 的原理与方法。 1 2 2 课题的目的和意义 本课题的目的： 针对目前钢丝绳张力检测技术在原理上存在的问题，对钢丝绳结构特点进行分 2 冀墅堡三奎耋三耋堡圭兰堡堡圣 析，并以此为基础，结合虚拟仪器的发展，开发钢丝绳张力检测应用新技术，提高钢 丝绳张力检测精度，实现检测过程的智能化，尽量避免人为区l 素的影响，进一步完善 钢丝绳的安全检测研究。 本课题的意义在于以下几个方面： 在理论上本课题的研究是建立在以无损检测技术为基础，多学科相互渗透的研 究策略之上的，对交叉学科的发展起着重要的作用。 本课题的研究成果以工程应用为背景，对开发和研制钢丝绳安全检测装置和仪 器具有重要的指导作用，促进了钢丝绳安全检测技术与仪器的发展与完善，有助于各 钢丝绳使用部门执行的行业安全规程与国家检测标准的技术配套和正确实施，从而使 钢丝绳的管理更加科学。 对防止钢丝绳在使用过程中因损伤和张力变化而造成事故有着积极的作用，并 减少不合理更换钢丝绳而造成的大量资源浪费。同时可提高钢丝绳安全检测的准确性 和速度，提高劳动生产率，从而降低设备营运成本，提高设备的经济效益。 1 3 钢丝绳张力检测技术的研究现状 在钢丝绳运行过程中，其承受的张力因受到运行环境的影响而产生定的波动。 而张力太大也会使钢丝绳发生疲劳，加剧磨损，产生断丝，严重时还会导致钢丝绳的 断裂，酿成重大生产事故。因此，钢丝绳张力检测是评价钢丝绳安全性的基础。 2 0 世纪5 0 年代之前，国内外主要采用振波法或标记法检测钢丝绳张力f 1 0 1 2 】。这 两种方法，对保证钢丝绳提升系统的正常运行起到了重要作用。但标记法不能定量， 而且张力过大会引起钢丝绳在衬垫上滑动，造成误判。振波法测张力虽然简单易行， 但对振波返回时间计算不够准确，精度较低，无法满足要求。 近年来，国内外许多学者及钢丝绳使用与管理部门都十分重视对钢丝绳张力检测 技术的研究和仪器的开发。 2 0 世纪5 0 年代，前苏联、前西德、瑞典等国已先后开始了张力测定仪的研制工 作。该时期的主要产品有前苏联的o h k - 2 0 、o h k - 4 5 型应变测力计。西德g h h 公 司的环状槽型测力计。我国在这一时期也开始研制检测钢丝绳张力的弹簧测力计。 2 0 世纪8 0 年代，前西德g h h 公司又研制成功了十绳感应式环状槽形测力计， 它由罐笼站和地面站两部分装备组成。罐笼站有感应线圈式环状槽形测力计、放大器、 3 ：童星堡三奎耋三塞堡圭耋堡篁圣 多路调谐转换器、模数转换器、控制器和发射器( 用钢丝绳作为载体向地面站发送 信号) ；地面站有接收器、控制器和微处理器，实时显示、记录钢丝绳在运行过程中 的张力变化情况，同时具有载荷超限报警功能。 同一时期，瑞典a b b 公司研制出h a m a 、h a m b 型动态张力测定仪【1 7 l ，它是 将电阻丝应变片粘贴在专门设计的、与钢丝绳串接的销轴式弹性元件上，该仪器具有 信号的无线发射与接收、模，数转换、微机定量处理、数字显示和打印功能。 这一时期，我国将钢丝绳张力检测仪的研制列为“七五”国家科技攻关项目，国 内钢丝绳张力检测技术也进入了一个新的发展阶段。其中，煤炭科学研究总院抚顺分 院研制了f 4 4 型钢丝绳张力测定仪，它由与钢丝绳串接的双剪切梁式销轴测力传感 器、数据采集和处理器、直流电源三大部分组成。山西矿业学院研制出压轮式钢丝绳 张力检测装置，该装置采用三滚轮方式人为使钢丝绳产生弯曲，通过测定钢丝绳对中 间滚轮产生的横向力推算钢丝绳张力的间接检测方法。长春煤炭研究所研制出了 g s z c i i 型钢丝绳张力测定仪。 到9 0 年代中后期，随着无损检测技术的发展，钢丝绳张力检测技术有了新的进 展。出现了钢丝绳张力的非接触式无损检测方法，使得钢丝绳张力的检测由接触式向 非接触式方向发展。青岛理工大学基于钢丝绳具有捻制股波的特点开展了钢丝绳张力 电磁无损检测新方法的研究，为以非接触方式实现钢丝绳张力的实时、在线、定量检 测开辟了一条新的技术途径。 综上所述。目前钢丝绳张力的检测方法大体说来有如下几种： 1 振波法 振波法是利用振动波的传播理论，通过冲击力垂直打击钢丝绳，然后测量出钢丝 绳振动波的传播周期从而达到测量钢丝绳张力的目的。其原理示意图如图卜1 所示 1 1 5 】。 这种方法测张力虽然简单方便，但对振波返回时间计算不准确，测量误差较大， 并不能满足测量精度的要求。 2 传感器串接测量法 传感器串接测量法是在钢丝绳上安装测力传感器，通过函数记录仪将测力传感器 的受力状态等信息记录下来，如图1 - 2 所示。通过分析记录信息便可得知钢丝绳的张 力大小情况。 4 童墅堡三奎堂三耋堡圭耋堡篓圣 。 利用这种方法既可以测量钢丝绳上的静态张力，也可以测量运行过程中的动态张 力情况，而且测量精度比较高，所以可以满足张力检测精度和实时性等要求。但此方 法般无法满足现场检测的要求。特别是对于一些无法完全卸载或是处于运动中的承 载钢丝绳，这种测量方法更是无法采用。 图卜1 振波法示意图 f i g 1 1v i b r a t i o nw a v es k e t c hm a p 测 力 传 感 器 图卜2 传感器串接测量法示意图 f i g 1 - 2t e 蚶n go fs e r i e s m o u n t i n gs e n s o r 5 压 图1 - 3 三滚轮测量法原理图 f i g 1 - 3p r i n c i p l eo f “t h r e ei d l e rw h e e l ” 童量矍三奎耋三耋堡圭茎堡堡圣 3 三滚轮测量法 三滚轮测量法也叫间接测量法，如图卜3 所示。即在钢丝绳的侧面某一固定位置 安装一个张力测试装置，记录仪器记录测量数据，经过分析处理便可得到钢丝绳在静 态状况下的张力及其变化规律。这种方法大多用于钢丝绳静态张力的测量，对于动态 检测结果不太理想。 4 非接触式检测方法 非接触式检测方法是利用电磁检测原理，根据钢丝绳具有捻制股波的特点，利用 电磁传感器的信号变化推算钢丝绳的张力。与传统方法相比，这种检测方法系统简单、 安装方便、检测精度高，可以实现非接触式实时在线定量检测。 1 4 本论文的主要研究工作 本学位论文在吸取前人研究成果的基础上，从四个方面对钢丝绳张力的智能化检 测技术及仪器进行了研究：非接触式钢丝绳张力的检测原理；钢丝绳张力检测系 统的硬件实现方法；钢丝绳张力检测的软件系统设计；钢丝绳张力检测系统虚拟 仪器设计与开发。 具体章节安排如下： 第二章论述了钢丝绳结构特点及与其张力的关系，构建了钢丝绳张力检测的系 统模型，建立并完善了相位量计测值与张力之间的数学表达式。详细讨论了基于电磁 原理的传感器技术，分析了霍尔元件的响应特性。并以上述分析为理论依据，设计了 铜丝绳张力检测传感器。 第三章提出了钢丝绳张力检测系统的硬件设计方案，重点阐述了信号处理、采 集系统中各功能模块的设计思路、选型原则及功能实现原理，并设计制作了电路板。 第四章对基于单片机的信号采集程序进行了模块化设计，开发出了单片机数据 采集系统。 第五章利用l a b v i e w 软件设计了钢丝绳张力检测系统的虚拟仪器及其友好的 人机交互界面。 第六章在实验室条件下设计了钢丝绳张力检测系统，进行了张力检测实验，并 对实验结果进行了分析。 第七章总结了本课题的主要开发内容，给出了本文研究的主要结论。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章钢丝绳张力检测传感器 2 1 钢丝绳结构 近代工业中所应用的钢丝绳是采用高强度优质碳素钢( 含碳量o 5 0 8 ，含硫 量不大于o 3 ) ，由直径约为6 m m 的圆钢，经过多次冷拔，热处理得到0 1 5m l n 的 高强度( 约为1 0 0 0 - - 2 1 0 0 n m m 2 ) 的钢丝，再把高碳钢钢丝绞在芯线上做成子线( 绳 股) ，将多次集结子线同时拧紧，从而绞制而成。其结构如图2 - 1 所示1 2 4 j 。 1 一绳股；2 一钢丝；3 一绳芯；4 一钢丝绳 图2 1 钢丝绳结构 f i g 2 1w i r er o p e s s t r u c t u r e 这种结构钢丝绳的易弯性比用相同拉伸强度的钢棒制作的构件高4 0 0 1 2 0 0 倍， 可以绕成卷，方便运输；另一方面，其弹性系数约为钢的1 3 ，具有吸收冲击的特性。 为适应各种用途的需要，钢丝绳的结构形式多种多样，且强度和粗细规格也很多。 钢丝绳的绳股是构成绳的主要单元。钢丝绳由股绕成绳时，绳的中央加绳芯，以 充填中央断面并增加钢丝绳的挠性，保持钢丝绳形状稳定，是钢丝绳不可缺少的组成 部分，根据需要，绳芯种类有：有机芯、石棉芯、金属芯三种类型。标准制品的钢丝 直径为0 1 - 5 m m ，钢丝绳的直径范围为0 6 。1 2 0 m m ，对于特殊用途的钢丝绳，如大 型斜拉桥承载用钢丝绳，其绳径更大。 钢丝绳的结构多种多样，按照分类依据的不同主要有以下几种分类方法： 1 根据钢丝绳捻绕次数不同，可把钢丝绳分为单绕绳、双绕绳和三绕绳。 单绕绳：由若干断面相同或不同的钢丝次捻制而成。 7 童璺矍三奎耋三耋堡圭耋堡堡圣 双绕绳：先由钢丝绕成股，再由股绕成绳。 三绕绳：把双绕绳作为股，再用股绕成绳。 2 根据钢丝绳捻绕方向不同分为顺绕绳、交绕绳、混绕绳。 顺绕绳：由钢丝绕成股和由股绕成绳的绕向相同。 交绕绳：由钢丝绕成股和由股绕成绳的绕向相反。 混绕绳：由两种相反绕向的股绕成的绳。 3 根据钢丝绳中钢丝相互接触状态的不同分为点接触绳、线接触绳、面接触绳 三类磷】。 点接触绳：股内钢丝直径相等，各层之间钢丝与钢丝互相交叉，呈点状接触。 线接触绳：不同直径钢丝绕制而成，股内各层间钢丝在全长上平行捻制，每 层螺距相等，钢丝间呈线接触。 面接触绳：股内钢丝经预变形处理后形状特殊，各层钢丝呈面接触。 2 2 钢丝绳张力检测原理 2 2 1 基本原理 钢丝绳是由优质高碳钢经过多次冷拔制成的钢丝，再经过多重捻制而组成的具有 复杂空间螺旋结构的铁磁性构件，具有良好的导磁能力，而且磁化后具有一定的剩余 磁感应强度和矫顽力。钢丝绳的这些特性使得电磁无损检测方法得到了有效应用。 钢丝绳电磁损伤检测的原理【3 0 j 是：铁磁性材料的磁导率比空气的磁导率至少大 1 0 0 倍，当强力磁化钢丝绳使其达到饱和状态的时候，在钢丝绳的表面以及内部存在 损伤部位的外围空间上就会出现漏泄磁通分布，通过磁通检测元件检测出漏泄磁通的 大小就可以实现钢丝绳的损伤检测。如图2 2 所示。 根据钢丝绳是由钢丝绕成股，然后再由股绕制成绳，即具有捻制股波的结构特点， 对钢丝绳进行磁化时，如果不强力磁化钢丝绳，不让磁通浸透到内部钢丝，在这种情 况下检测钢丝绳表面空间中的磁通，我们可以发现其磁通分布为主要反映钢丝绳表面 股波变化的起伏波形。这时，从磁通检测器中得到的是一系列波形电压，如图2 - 3 所示。 8 极 永久磁铁 卜r 一 、y 励磁回p ：叫譬斛峰 l m a 检测 ， 钢丝绳l 图2 _ 2 电磁检测原理 f i g 2 2e l e c t r o m a g n e t i cd e t e c t i n gp r i n c i p l e 图2 - 3 铜丝绳表面信号波形 f i g 2 - 3s i g n a lw a v ea r o u n dt h ew i r er o p e s 当钢丝绳表面与检测器之间的距离保持不变时，该波形电压的振幅是不变的且具 有脉动性。根据这个波形的脉动周期和脉动次数，非接触状态下就可以测知钢丝绳的 运动速度和移动距离。 此时，如果在沿着钢丝绳长度方向相距某距离的两个位置，面对钢丝绳表面分 男放置一个检测器，则钢丝绳移动时每个检测器上出现的波形电压就成为带有相位差 的同频率的脉动电压，此相位差取决于两个检测器的设置距离d 与钢丝绳表面的起伏 波长股间距a 。如果两个检测器之间的距离d 远远大于钢丝绳的绳股间距a 的话，上 述两列波形电压之间相位差的变化就能够敏感地反映钢丝绳伸长量的变化，因此在已 知钢丝绳张力与伸长量之间关系的情况下，根据相位差就可以求出动态钢丝绳的张力 及其变化情况，这即是非接触式钢丝绳张力检测的基本原理。 2 2 2 理论依据 设分别对应钢丝绳股峰的两检测器爿、b 间的距离为d = 捍a ( n 为正整数，a 为 相邻股峰间距) ，如图2 - 4 ( a ) 。当钢丝绳处于自由状态时，爿、曰两检测器输出为同相 位、同幅值、同频率的两列电压信号，当钢丝绳受力伸长而产生应变g 时，各股峰间 的距离由a 变为( 1 + m ，相距为d 的，1 个股波的位置偏移总量为n n ，则两检测器 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 与钢丝绳股波原本对应的位置发生了变化，如图2 - 4 ( b ) 。此时，两检测器输出的两列 信号将带有一定的相位差，4 检测器输出的信号出现滞后，波形如图2 - 5 ( a ) 所示。 图2 4 受拉钢丝绳变形 f i g 2 - 4d i s t o a i o ao fp u l l e dw i r er o p e s a 、b 分别为a 、b 两检测器输出波形 图2 - 5 变形后输出信号波形 f i g 2 - 5o u t p u tw a v e f o r mo fs t r e t c h e d - o u tw i r er o p e s 通过波形变换，将两列波形转换为如图2 - 5 0 ) 所示的矩形波后，再将两列矩形波 进行异或运算，得到如图2 5 ( c ) 所示的波形。将此波形信号的高电平持续时间记为t ， 检测器经过每个股峰所需时间记为一个周期l 设钢丝绳运动速度为p ，彳、b 两检测 器的间距为d ；月a ，钢丝绳受力发生应变为，此时，输出电压的频率，为： ，2 志 2 - 1 ) 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 由图2 - 5 得 式( 2 - 2 ) 比式( 2 - 3 ) ，得： 令委k ，则 n e 2 t = 丁：业 v f儿占 丁1 + ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) s = 上t ；志k ( 2 - 5 ) 一 r 由式( 2 5 ) 可见，钢丝绳受力后应变只与检测波形信号的高电平持续时间( 相 位差) 和信号的周期之比值k 有关。而与钢丝绳的运动速度v 、检测信号的频率，等 其它因素无关。 以上分析的是两检测器a 、b 间距d 恰好是相邻股峰间间距a 整数倍时，应变与 时间计测量之间的函数关系。在通常的试验条件下，调整两检测器的间距恰好为a 的 整数倍是比较困难的。为了消除由于磁检测器问距带来的误差，下面将进一步讨论时 间量与应变之间更为一般的函数关系。假设检测器与钢丝绳之间的相对速度仍然为 v ，a 、b 检测器的间距为 d；o+rm(2-6) 式中n 为正整数，r 为分数，一三jr ；1 。即4 、b 间距为a 的非整数倍。 22 则在钢丝绳未发生应变时，a 、b 两检测器输出波形a 、b 如图2 - 6 ( a ) 所示，有 一定的相位差。图2 - 6 0 ) 、( c ) 为其转换后波形图。 将图2 - 6 ( c ) 中信号的高电平持续时间记为f ，信号周期记为。图中a 信号滞 后于b 信号，取为负值。若a 信号超前于b 信号，则r 取为正值。则有： ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 卫，生， i = 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 式( 2 - 7 ) 比式( 2 8 ) ，得 ，；一tr(2-9) l 因此通过计测时间量f ，和c ，计算两者的比值，就可以确定r 的数值。 ( b ) r 争1 啡nl ( a ) 检测器输出波形( b ) 转换后矩形波波形( c ) 异或后波形 图2 _ 6 有初始相位差时，变形前输出信号波形 f i g 2 - 6o u t p u tw a v e f o r mo f w i r er o p e sa si n i t i a lp h a s ed i f f e r e n c e 当钢丝绳受到拉力作用，产生拉应变。则以b 检测器输出信号b 作为基准， 由于原有的股峰间间距伸长，因此4 检测器输出信号a 出现要比无应变的时候晚些 如图2 - 7 所示。 假设钢丝绳变形后，磁检测器与钢丝绳的相对速度变为，则 f ，( n + r ) e a + r ( 1 + e ) g ( 2 - 1 0 ) y 1 式( 2 1 0 ) 比式( 2 _ 1 1 ) ，则有 r 暑! ! ! ! 兰( 2 1 1 ) n 三。塑坐+ r i e - - r e + r 丁 1 + e1 + s ( 2 - 1 2 ) 式中r 和都是微小量，因此二次乘积项，s 可以忽略不计，s 2 t _ = 瓜则有 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( a ) ( b ) ( c ) k ；生+ r 1 + k r e = 一 ，l k + 7 ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 图2 7 有初始相位差时，发生变形后输出信号波形 f i g 2 - 7o u t p u tw a v e f o r mo f s t r e t c h e d o u tw i r er o p e sa si n i t i a lp h a s ed i f f e r e n c e 通过以上分析知，对于两检测器间存在原始位置误差的情况，只要将发生应变后 的t 和r 值，与由式( 2 9 ) 计算得到的r 值，代入式( 2 1 4 ) 中计算，就可以求得钢 丝绳的实际应变g ，式( 2 1 4 ) 中的，i 和r 相当于仪器常数。从推导的过程可以清楚 地看到，变形前后磁检测器与钢丝绳之间的相对运动速度大小及其变化对检测应变 没有任何影响。 2 2 3 张力与时间域计测值之间的关系 当钢丝绳应变参数s 确定后，其应力仃、张力，等参数则可以通过计算的方法推 导得到。 由胡克定律i 冽得，钢丝绳的应力盯 盯- e e( 2 - 1 5 ) 则张力f 为 f ；e af( 2 - 1 6 ) 式中的e 为钢丝绳弹性模量，一为钢丝绳横截面积。 同时，钢丝绳的速度也可由前面推导的公式求得。如由式( 2 2 ) 或式( 2 - 3 ) 推 导得 青岛理工大学工学硕士学位论文 v ；n e 2( 2 1 7 ) f 或v ；g 坐 ( 2 1 8 ) 1 如果计测得到钢丝绳实际运动的时间，与推导得到的速度相乘，同样可以求得该 段时间内钢丝绳的位移。 2 3 霍尔检测元件 霍尔检测元件是钢丝绳张力检测传感器的核心。霍尔元件是对磁场敏感的一种传 感元件，能够将磁物理量转换成电信号，它可以在静止状态下，感受到磁场的变化， 并具有结构简单、体积小、频率响应宽、动态范围大、寿命长且与被测构件无接触等 优点。 2 3 1 霍尔效应原理 霍尔元件是基于霍尔效应1 2 9 l 进行工作的。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场 中洛伦兹力作用的结果。如图 8 所示，假设在一块半导体霍尔薄片上，加以直流电 压( 以薄片不损坏为原则) ，则有相应的电流，那么半导体中的载流子( 电子) 将沿 着与电流j 相反的方向运动。若在垂直于薄片平面的方向上加以磁感应强度为口的磁 场，则电子由于受洛伦兹力f l ( f l = e v b 。p ：电子电量；y ：电子速度) 的作用而发 生偏转，结果在半导体的后端面上电子积累而带负电，前端面因缺电子而带正电，于 是在前后端面上形成电场，该电场产生的电场力死( f e = e u h 1 ) 阻止电子继续偏移， 当凡与r 大小相等时，电子积累达到平衡状态，这时在半导体前后两端面间建立霍 尔电场e 小产生相应的霍尔电压l k 图2 - 8 霍尔效应原理图 f i g 2 - 8p r i n c i p l eo fh a l le f f e c t 霍尔电压【啊的大小与半导体上流过的电流，和外加磁场强度b 成正比，与半导 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 体材料的厚度d 成反比，即 u h ：了r h l b ( 2 - 1 9 ) 令岛：掣，则 uh=khib(2-20) 式中j b 为霍尔系数，表示半导体材料单位体积中的载流子与电子电荷乘积的倒 数，反映材料霍尔效应的强弱；k u 为霍尔灵敏度，表示在单位电流和单位磁感应强 度的作用下开路霍尔电压的大小，单位是m v ( m a n 。材料的厚度d 越小，单位体 积中的载流子越少，材料的霍尔灵敏度就越高。载流子的运动速度随霍尔元件材料的 不同而不同。在半导体材料中，电子的迁移率比空穴的大，所以霍尔元件一般采用n 型半导体材料。常用的霍尔元件材料有硅、锗、锑化铟、砷化铟和砷化镓等。 当磁场的磁感应强度b 和霍尔元件的平面法线有一定角度0 时，作用在霍尔元件 上的有效磁场是其法线方向的分量即b c o s o ，这时 u h = 如i b c o s 0 ( 2 2 1 ) 2 3 2 集成霍尔传感器的工作原理 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一 种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一 体。集成霍尔传感器与分立元件相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。 此外，它具有体积小、重量轻、安装方便且功耗低，温度稳定性好，灵敏度与磁场移 动速度无关等优点，正越来越受到广泛应用。 集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以 分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型删。 1 开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电 平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，是由稳压器a 、硅霍尔片b 、差分 放大器c 、施密特触发器d 和o c 门输出e 五部分组成，如图2 - 9 所示。 从输入端1 输入电压v c c ，经稳压器a 稳压后加在硅霍尔片b 的两端，以提供 恒定不变的工作电流。在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场，产生霍尔电势差【b 青岛理工大学工学硕士学位论文 该u n 信号经差分放大器c 放大后送至施密特触发器d 整形。当磁场达到“工作点” ( 即b o p ) 时，触发器d 输出高电压( 相对于地电位) ，使三极管e 导通，输出端 v o 输出低电位，此状态称为“开”。当施加的磁场达到“释放点”( 即b r p ) 时， 触发器d 输出低电压，使三极管e 截止，输出端v o 输出高电位，此状态称为“关”。 这样2 次高低电位变换，使霍尔传感器完成了1 次开关动作，如图2 1 0 所示。b o p ，b r p 称为磁滞，在此差值内，输出电位场保持高电位或低电位不变，因而输出稳定可靠。 开关型集成霍尔传感器大大增强了开关电路的抗干扰能力，保证开关动作稳定，不产 生振荡现象。 图2 9 开关型霍尔传感器的构成 f i g 2 - 9s t r u c t u r eo f s w i i c hh a l ls e n s o r b b 图2 1 0 输出电压与外加磁场强度的关系 f i g 2 - 1 0r e l a t i o nb e t w e e no u t p u tv o l t a g ea n d e x t e r n a lm a g n e t i ci n t e n s i t y 2 线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号 电压与磁感应强度成正比。通常由霍尔元件b 、差分放大器c 、稳压器a 三部分组成。 这是一种高灵敏度的磁敏器件，可以准确跟踪高斯级的微弱磁场变化。其典型线路如 图2 1 1 所示。 图2 1 1 线性型霍尔传感器的构成 f i g 2 - 1 1s t r u c t u r eo fl i n e a f i t yh a l ls e n s o r 开关型集成霍尔传感器的输出有高低电平两种状态，而线性集成霍尔传感器的输 出却是与磁场强度成线性比例变化的霍尔电压，经放大器放大后输出，对外加磁场呈 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 线性感应。与分立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高，且线性度好、响应时间短、 失调和漂移小，对外围电路要求简单，因而得到越来越广泛的应用。 2 4 钢丝绳张力检测传感器的结构 由上述对霍尔传感器的分析，结合钢丝绳股波信号的特点，选用把霍尔元件和放 大器等做在一个基片上的线性集成霍尔传感器。在移动的钢丝绳表面附近( 不与钢丝 绳接触) 布置磁通源和磁通检测传感器，如图2 1 2 所示。这样钢丝绳和它的表面附 近的空间就形成磁路。当钢丝绳移动的时候，其表面凹凸会给磁路磁阻带来周期性的 脉动。通过集成霍尔传感器检测出此脉动，取得一系列反映钢丝绳表面凹凸情况的脉 动电压信号。 图2 _ 1 2 检测器的配置示意例 f i g 2 1 2s k e t c hm a po fs e n s o i ss e t 钢丝绳在运动过程中，其某种程度的横向振动是不可避免的，由此而产生的钢丝 绳表面与检测器之间距离的变化势必对检测器的输出信号电压带来不良影响。而钢丝 绳的横向振动，对磁铁的两极而言，其磁通分布间隙的影响是同方向变化的，为了使 检测电压精确的反应钢丝绳表面股波变化，而消除横向振动引起的电压变化，故把检 测器设计为差动配置方式，如图2 _ 1 3 所示。即每组检测器都由排列成差动连接方式 的两套相同传感器组成。 配置传感器的时候使得其中的一套( 如a 1 或b d 面对钢丝绳表面起伏的波峰 时，另一套( a 2 或b 2 ) 面对波谷，并把这两套作为一组使用。这样，当钢丝绳通过 的时候，两套传感器组件a 1 、a 2 ( 或b 1 、b 2 ) 的输出是始终表示着钢丝绳表面起 伏的波峰和波谷的反相性输出变化波形，而钢丝绳的横向振动在两套传感器中产生的 却是同相性输出变化。在后续信号处理中，将两套传感器的输出进行差动之后输出， 1 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 就可以有效地将横向振动产生的电压变化差动掉，从而得到所需要的反映钢丝绳表面 股波形状的波形电压。 磁通源磁通源 2 5 本章小结 图2 - 1 3 两组检测器的差动配置示意图 f i g 2 1 3s k e t c hm a po fs c l l s o r s d i f f e r e n t i a l 本章首先介绍了钢丝绳的结构、分类，分析了钢丝绳张力的无损电磁检测原理及 其理论依据，推